Дефекты закалки

Различные дефекты (брак) термической обработки наиболее вероятны именно при закалке; это связано с тем, что закалка выполняется с нагревом до высоких температур и быстрым охлаждением.

Закалочные напряжения возникают в изделии в процессе закалки без приложения внешних сил и остаются после закалки, т.е являются остаточными. Закалочные напряжения разделяются на термические (тепловые) и структурные (фазовые).

Термические напряжения возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины, вызывающего перепад температур но сечению изделия, что приводит к неравномерному тепловому сжатию различных слоев изделия. После охлаждения в поверхностных слоях заготовки сохраняются остаточные напряжения сжатия, в сердцевине – растяжения.

Структурные напряжения появляются в результате мартенситного превращения, протекающего с увеличением объема (см. 5.4.2). Мартенсит в первую очередь образуется на поверхности, вызывая увеличение объема поверхностных слоев. Пластичный аустенит – структура сердцевины – практически нс препятствует увеличению объема, он легко деформируется. Затем происходит мартенситное превращение сердцевины детали. Увеличению объема при этом сопротивляется твердый непластичный мартенсит, образовавшийся ранее на поверхности, его пластическое деформирование затруднено или невозможно, вследствие чего возникают напряжения. После окончания мартенситного превращения в поверхностных слоях образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – сжатия. Такое распределение структурных напряжений по сечению изделий противоположно характеру распределения тепловых напряжений.

Термические и структурные превращения суммируются. Поскольку доля структурных напряжений в большинстве случаев больше, то после закалки поверхность изделий испытывает значительные растягивающие (наиболее опасные) напряжения, а внутренние слои – сжимающие.

Закалочные напряжения, возникающие в изделии, оказывают отрицательное влияние как в процессе его изготовления, так и при его эксплуатации. Если величина напряжений (σзак):

  • – меньше предела текучести (σзак < σ0 2) стали, то никаких изменений формы изделий не произо́йдет; однако они могут суммироваться с напряжениями, возникающими при нагружении изделия в процессе эксплуатации. Это приведет к снижению его механической прочности;
  • – больше предела текучести, но меньше предела прочности (σΒ > σ > σ02), то произойдет коробление (деформация) изделия; в этом случае в технологическом процессе изготовления изделия должна быть предусмотрена правка. Последнее часто необходимо делать после закалки длинных и тонких деталей;
  • – больше предела прочности (σ > σΒ), то происходит локальное (трещины) или полное (на несколько частей) разрушение изделия.

Коробление или разрушение заготовки возможно непосредственно в процессе закалки или спустя некоторое время.

Величина закалочных напряжений зависит от температуры закалки, скорости охлаждения, химического состава стали. Чем выше температура закалки, тем менее равномерно происходит охлаждение и возникает больший перепад температур по сечению изделия. Это приводит к увеличению термических напряжений. Наибольшая скорость охлаждения достигается охлаждением в воде или в 8...12%-ных водных растворах NaCl и NaOH. Такие среды- охладители применяют при закалке углеродистых сталей. Легированные стали (см. ниже, гл. 6) при закалке охлаждаются в масле или горячих средах, т.е. медленнее, чем углеродистые. Это снижает вероятность возникновения деформаций и трещин. Значительное влияние на величину закалочных напряжений оказывает содержание углерода в стали. Чем больше его в стали, тем больше его и в мартенсите, тем больше объемные изменения и, следовательно, уровень структурных напряжений.

Закалочные напряжения особенно опасны при изготовлении деталей сложной формы. К ним относятся детали малой жесткости (с большим отношением длины к диаметру или толщине сечения – длинные и тонкие); детали сложной конфигурации с резкими переходами размеров по сечению; детали с концентраторами напряжений – различными выступами, выточками, острыми углами и т.п. Уменьшение напряжений, возникающих при закалке, достигается конструкторскими и технологическими мероприятиями.

Конструкторские мероприятия. Прежде всего, это правильный выбор марки стали. Детали, склонные к деформациям при закалке, следует изготавливать из легированных сталей (малодеформирующиеся стали рассмотрены в гл. 11 (11.6)).

При конструировании детали следует избегать концентраторов напряжений – значительных перепадов размеров по сечению, острых углов за счет галтелей (скруглений) большого радиуса и т.д.

Технологические мероприятия. В основном они направлены на уменьшение закалочных напряжений при выполнении собственно закалки, а также непосредственно после ее выполнения.

Для снижения закалочных напряжений при закалке необходимо избегать перегрева стали при нагреве (уменьшение термических напряжений), а также замедлять скорость охлаждения в интервале температур Мн...Мк, для того чтобы уменьшить термические напряжения при температурах, при которых возникают наиболее значительные термические напряжения. Замедленное охлаждение в этом интервале допустимо, так как быстрое охлаждение (оохл > нкр) необходимо лишь в интервале температур АГ..МП, чтобы исключить распад аустенита по перлитному или бейнитному механизму.

Замедление скорости охлаждения в интервале Ми...Мк достигается применением ряда разновидностей закалки (рис. 5.23).

Непрерывная закалка, при которой производится непрерывное охлаждение изделий от закалочных температур в одном охладителе (рис. 5.23, линия 1), широко применяется при закалке деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей; при автоматизации процесса термообработки, когда закаливаемые детали из печи или ванны автоматически погружают в охлаждающую жидкость. Для уменьшения закалочных напряжений детали иногда перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время охлаждают на воздухе, т.е. "подстуживают". Такую закалку называют закалкой с подстуживанием.

Прерывистая закалка (закалка в двух средах), при которой закаливаемое изделие некоторое время охлаждается

Разновидности закалки

Рис. 5.23. Разновидности закалки:

1 – непрерывная; 2 – прерывистая (охлаждение в двух средах); '3 – ступенчатая; 4 – изотермическая

в воде, в результате чего достигается быстрое прохождение в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, а затем переносится в масло, обеспечивающее замедленное охлаждение в интервале мартенситного превращения (рис. 5.23, линия 2). Выполнение этой закалки требует от термиста высокой квалификации, так как трудно определить необходимое время пребывания изделий в воде (в первом охладителе).

Ступенчатая закалка заключается в достаточно быстром охлаждении изделия до температуры немного выше мартенситной точки Мн (~ на 50 °С), короткой выдержке для выравнивания температуры по всему сечению и последующем медленном охлаждении на воздухе (рис. 5.23, линия 3). На первом этапе охлаждение выполняется в расплавленных солях, температура которых равна температуре выдержки ("ступеньки"). Изделие достаточно быстро охлаждается до температуры "горячей среды". Поскольку температура изделия в процессе выдержки выравнивается по всему сечению, то и мартенситное превращение при последующем охлаждении на воздухе протекает одновременно по всему сечению. Это приводит к значительному уменьшению закалочных напряжений. Ступенчатой закалке обычно подвергают изделия небольшого сечения (до 40 мм), предпочтительно из легированных сталей, обладающих большей устойчивостью переохлажденного аустенита.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но предусматривает более длительную выдержку выше температуры Мн. В процессе выдержки происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита (рис. 5.23, линия 4). Изотермической закалке подвергаются изделия из легированных сталей, у которых превращение в промежуточной области до конца не идет. Аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, в зависимости от его легированности будет обладать разной стабильностью.

Более стабильный аустенит при последующем охлаждении на воздухе не претерпевает мартенситного превращения, и сталь приобретает структуру нижнего бейнита и остаточного аустенита (до 20%), обогащенного углеродом и легирующими компонентами. Такая структура обеспечивает высокий предел прочности при достаточной вязкости.

В сталях с менее стабильным аустенитом при охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Такая сталь после изотермической закалки приобретает структуру, состоящую из нижнего бейнита и мартенсита. При этом повышается твердость и прочность, но резко снижаются пластичность и вязкость.

Снижение закалочных напряжений после выполнения закалки достигается выполнением отпуска (нагрева, см. 5.5.3), при котором закалочные напряжения уменьшаются. Отпуск следует осуществлять как можно быстрее после закалки.

Деформации уменьшаются при закалке с самоотпуском. По этой технологии в воду погружают не всю нагретую деталь, а только ее рабочую часть и вынимают после кратковременной выдержки. За счет тепла той части детали, которая нс погружалась в воду, рабочая часть изделия нагревается. Необходимую температуру нагрева определяют по цветам побежалости и при ее превышении деталь вновь охлаждают в воде.

Появление цветов побежалости объясняется возникновением на чистой (полированной, шлифованной) поверхности тонких слоев оксидов железа. Цвет слоя определяется толщиной оксида, зависящей от температуры: светло- желтый – 220 °С, желтый – 230 °С, темно-желтый – 240 °С, коричневый – 255 °С, коричнево-красный – 265 °С; фиолетовый – 285 °С; темно- и светло-синий – 295...310 °С; серый – 330 °С.

Окисление и обезуглероживание поверхности происходят при нагреве в пламенных или электрических печах с обычными атмосферами. Это требует увеличения припуска на шлифование, что удорожает и усложняет технологию изготовления деталей. Для устранения этих дефектов следует применять защитные атмосферы (см. 15.1.1).

Перегрев или увеличение времени выдержки вызывают укрупнение зерна аустенита, а следовательно, получения после закалки крупнопластинчатого мартенсита. Это приводит к хрупкости стали, при закалке возрастает вероятность образования трещин.

Недостаточная твердость закаленной стали может быть вызвана недогревом или недостаточно интенсивным охлаждением. При недогреве (низкая температура закалки, слишком короткая выдержка) твердость низкая вследствие неполного растворения углерода в мартенсите или присутствия в структуре феррита (доэвтектоидные стали). При низкой скорости охлаждения структура состоит из продуктов перлитного типа (сорбита, троостита), имеющих пониженную твердость по сравнению с мартенситом. Для предотвращения дефекта необходимо соблюдение технологии закалки.

Образование мягких пятен (пятнистая твердость) характерно для углеродистых сталей, охлаждаемых при закалке в воде. Это вызвано образованием паровой рубашки при кипении воды. От участков контакта детали и пузырьков пара отвод тепла замедляется, так как теплопроводность пара значительно меньше, чем жидкости - воды. Мартенсита при этом не образуется из-за пониженной скорости охлаждения. Кроме того, пятнистая твердость может образоваться при наличии окалины, в местах захвата закалочными клещами и т.д.

Для предотвращения этого дефекта необходимо подводить закалочную жидкость к деталям под давлением или энергично перемещать деталь в закалочной жидкости, сбивая паровую рубашку; перед закалкой следует удалять окалину; закалочные клещи должны иметь острые губки, чтобы не препятствовать охлаждению детали в месте захвата.

Пятнистая твердость предотвращается при охлаждении в растворах солей или щелочей (8... 12%-ные водные растворы NaCl и NaOH), однако при этом возрастает скорость охлаждения и вероятность коробления заготовки или появления трещин.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >